Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Разжижение (пластифицирование) системы должно осуществляться оптимальным сочетанием механических н физнко-химических факторов. Для достижения наиболее плотной упаковки частиц, т.е. реализации максимального числа контактов в структуре, и вместе с тем для предотвращения возникновения высоких внутренних напряжений широко применяются вибрационные воздействия. Вместе с тем для ослабления сцепления частиц (например, прн формовании сухих и влажных катализаторных и керамических масс) используют добавки различных ПАВ, которые, адсорбируясь на поверхности частиц, снижают прочность контактов в коагуляционных структурах и препятствуют на определенных этапах развитию фазовых контактов.
Для регулирования процессов структурообразования при твердении минеральных вяжущих веществ в систему вместе с ПАВ вводят добавки соответствующих электролитов, что позволяет направленно изменять пересыщение, условия кристаллизации и срастания гидратных новообразований и тем самым осуществлять процесс твердения в оптимальных условиях. В любом текстильном производстве волокна защищаются адсорбционными слоями, препятствующими их сильному сцеплению и повреждению прн изготовлении пряжи и ткани. Сходные задачи возникают в производстве бумаги, в пищевой промышленности и т.
д. 400 Изучение физико-химических путей управления структурой и реологическими (механическими) свойствами дисперсных систем и материалов на различных этапах их получения, формования, обработки и эксплуатации при использовании оптимального сочетания механических воздействий и физико-химических явлений на межфазных границах и составляет предмет физико-химической механики [1Ц и [17!. !Х.З. Реологические свойства дисперсных систем Широкий спектр размеров и характеристик взаимодействия частиц в реальных дисперсных системах обусловливает большое разнообразие их реологических свойств, что используют в различных областях.
Вместе с тем дисперсные системы являются основными носителями механических свойств объектов живой и неживой природы. Разнообразие реологических свойств дисперсных систем отражается, в частности, в широком наборе возможных значений трех основных параметров: модуля упругости сдвига О (или модуля Юнга Е), вязкости и и предельного напряжения сдвига т* (предела текучести). Для сплошных систем с твердыми фазами (горные породы, конструкционные и строительные материалы) параметр О представляет собой модуль упругости твердого тела, т.
е. составляет 10 — 10 Н/м . Почти тот же порядок имеет модуль упругости при всестороннем сжатии и у обычных жидкостей. Однако из-за низкой вязкости их сдвиговая упругость может быть обнаружена только при быстрых испытаниях, когда время воздействия приближается к периоду релаксации. Поэтому при обычных временах механических воздействий жидкости с низким значением ц ведут себя как вязкие среды. Модуль упругости дисперсных систем с твердой и жидкой фазами определяется условиями взаимодействия частиц дисперсной фазы. Для пористых дисперсных структур глобулярного типа с фазовыми контактами между частицами модуль упругости системы (практически независимо от того, является ли вторая фаза жидкой или газообразной) определяется модулем упругости вещества твердой фазы, числом и площадью контактов между частицами.
Значения модуля упругости пористых кристаллизационных структур могут составить, например, 10 — 10 Н/м . Часто такие структуры обнаруживают хрупкость — склонность к необратимому разрушению без заметной предшествующей остаточной деформации. Разрушение происходит при таком напряжении (пределе прочности), при котором пластическое течение еще не может наступить. 40! Иную природу может иметь модуль упругости коагуляционных коллоидных структур с твердой и жидкой фазами, преимущественно в тех случаях, когда такая структура развивается в системе при относительно малом объемном содержании твердой фазы, при ее высокой дисперсности и, что особенно существенно, при резко выраженной анизометричности частиц.
Таковы, например, пщрогели оксида ванадия (У), структурированные коллоидные суспензии бентонитовых глин в воде. Было показано, что для таких систем упругость (эластич- 1 ность) при сдвиге может быть обусловлена возникающей в ходе деформирования системы большей или меньшей степенью соориентации частиц, т. е.
уменьшением вероятности состояния системы и тем самым ее энтропии. При устранении нагрузки броуновское (вращательное) движение частиц восстанавливает их хаотическую ориентацию и вместе с тем форму тела. Подобно тому как проявление упругости в случае давления газа или осмотического давления имеет энтропийную природу, сдвиговаи эластичность также обусловлена изменением энтропии, в данном случае конфигурационной энтропии. При этом модуль эластичности О„по порядку величины составляет О - пкТ, где и — число частиц в единице объема, участвующих в броуновском движении (кинетически независимых единиц).
Так, в малоконцентригоованной суспензии высокодисперсной глины при л = (3 — 5) 10 частиц/м имеем Пал - 10 Н/м . Упругая деформация обнаруживается также для пен и концентрированных эмульсий. Величина напряжения сдвига определяется в этом случае ростом поверхности раздела фаз при деформировании частиц. Механические свойства отвержденных пен и других твердо- образных ячеистых структур определяются их дисперсностью, строением каркаса и совокупностью механических характеристик дисперсионной среды и дисперсной фазы. Вязкость малоконцентрированных с в о б о д н о д и с п е р си ы х с и с т е м определяется в основном вязкостьюдисперсионной среды, которая может в зависимости от природы среды меняться в пределах многих порядков.
Например, для газов вязкость составляет 10 Па с, для широкого спектра жидкоподобных тел— от 10 до 10 Па с,длястеколитвердыхтел — 10 10 Па.сиболее. А. Эйнштейном было показано, что введение в дисперсионную среду частиц дисперсной фазы (малой концентрации, т. е. в отсутствие их взаимодействия между собой) приводит, вследствие диссипации энергии при вращении частиц в поле сдвиговых напряжений 402 ' Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Коллоидныа журнал, 197Е Т.
33. ла 3. дисперсионной среды, к увеличению вязкости Ч, пропорциональному объ- емной доле дисперсной фазы 1р: — -ез- .Π— — — —— -е=' — — — — — сп — сз — — в потоке е» .зп~. Π— Сз-еР— -ез =1р, Ч Че Че 1 Введение в воду некоторых полимеров может приводить к значительному увеличению скорости течения (нз-за подавления турбулентности) и соответственно увеличению дальности полета мощных струй воды («скользкая вода»); зто явление находит применение при тушении сильных пожаров. 403 Рис. И-!8. Ориентация анизометгде Чв — вязкость чистой дисперси- ричных частиц в потоке онной среды; для сферических частиц 1 = 2,5. Следовательно, в отсутствие взаимодействия частиц дисперсная система с изометричными частицами ведет себя как н ь ю— т о н о в с к а я ж и д к о с т ь, но с несколько повышенной по сравнению с дисперсионной средой вязкостью.
Если частицы дисперсной фазы анизометричны (эллипсоиды, палочки, пластинки) или способны деформироваться (капельки, макромолекулы), то при течении дисперсионной среды могут проявляться в зависимости от природы и размеров частиц дисперсной фазы различные тенденции. Сдвиговые напряжения наряду с приданием частицам вращения стремятся деформировать частицы и определенным образом ориентировать их в потоке. Ориентирующему действию противостоит вращательная диффузия частиц дисперсной фазы. В результате степень ориентации частиц существенно зависит от скорости деформации (рис. 1Х-18), т. е.
при малых скоростях течения частицы могут быть полностью разориентированы, при высоких — в большой мере ориентированы„что фиксируется оптическими методами (см. гл. У). Это приводит к изменению вязкости системы в зависимости от скорости течения (или напряжения сдвига). В таком случае уже недостаточно одной характеристики — постоянной ньютоновской вязкости Ч = т/у = Йт/ду, и используют представление об эффективной вязкости Чзф = т/у = Ч,ф(у).
При малых скоростях деформации (малых напряжениях сдвига) эффективная вязкость максимальна, затем она постепенно падает до некоторого минимального значения, не изменяющегося при дальнейшем увеличении напряжения и соответствующего течению системы с полностью ориентированными в потоке частицами (рис. 1Х-19) . 1 В других случаях, в частности при значительных деформациях макромолекул (конформационных изменениях) в потоке, возможно и обратное явление роста эффективной вязкости с увеличением скорости течения . Подобные явления не могут быть ! описаны простейшими реологическими моделями с постоянными параметрами. Системы, в которых наблюдается зависимость вязкости от скорости течения, называют аномальными или (р~ не ньютоновским и жидкостяо ми.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
